JP6284825B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、容量結合型のプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスの製造プロセスでは、処理ガスのプラズマを被処理基板たとえば半導体ウエハに作用させて、被処理基板に所定の処理を施すプラズマ処理装置が用いられている。従来より、枚葉式のプラズマエッチングには容量結合型のプラズマエッチング装置が多く用いられている。

一般に、容量結合型のプラズマ処理装置は、真空チャンバとして構成される処理容器内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極の上に半導体ウエハを載置して、両電極間に高周波電力を印加する。そうすると、両電極の間で処理ガスの高周波放電によるプラズマが発生し、プラズマ中のラジカルやイオンによって基板の表面にエッチングや成膜等のプラズマ処理が施される。

一般に、容量結合型のプラズマ処理装置では、低圧下で下部電極に高周波電力を供給して高密度のプラズマを生成する際に、供給する高周波電力の周波数を高くした場合には、高周波電力によって生じる高周波電流が下部電極の中心近傍に集まる傾向がある。そのように高周波電流が下部電極の中心近傍に集まると、下部電極と上部電極との間の処理空間で生成されるプラズマの密度ひいては半導体ウエハ上のプロセス特性（たとえばドライエッチングではエッチングレート）が径方向の中心付近を頂点として上に凸のプロファイルになりやすい。そこで、処理容器内のプラズマ密度分布を制御するために、処理空間を磁力線が所定のルートで貫くような閉ループの磁場を形成する磁場形成機構を備える装置構成が従来から知られている。

たとえば、特許文献１には、水平方向に被処理基板の口径サイズよりも十分に離したＮ極とＳ極とを有する回転磁石を処理容器の天井の上に配置し、処理容器の中心軸を回転中心にして該回転磁石を回転させて処理容器内の処理空間に一様な磁場を水平方向に形成する磁場形成機構が開示されている。また、特許文献２には、複数の環状電極を同心円状に配置して上部電極を構成し、処理空間内で各環状電極の直下に水平方向の磁場を形成する複数の磁石を処理容器の天井の上に設ける磁場形成機構が開示されている。

特許第３０３７８４８号 特許第４１０７５１８号

しかしながら、従来の容量結合型プラズマ処理装置における磁場形成機構は、処理容器内でプラズマ密度分布を制御するための調整ノブとしての効き目や自由度が十分ではない。特に、プラズマ密度が径方向の中心で異常に突出して高くなる（つまり中心が特異点になる）という従前からの課題を効果的に解決するための仕掛けが備わっていない。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、プラズマ密度分布において径方向の中心が特異点となる望ましくない不均一性を効果的に解消できるようにした容量結合型のプラズマ処理装置を提供する。

本発明におけるプラズマ処理装置は、 被処理基板に処理ガスのプラズマを作用させて処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記被処理基板を出し入れ可能に収容する処理容器と、前記処理容器内に配設され、前記被処理基板が載置される下部電極と、前記処理容器内に配設され、処理空間を介して前記下部電極と対向する上部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に高周波電力を印加する高周波電源と、前記処理容器の上部または上方で前記下部電極の中心を上下方向に通過する中心軸線を中心とする１つまたは複数の環状の主電磁コイルを有する主磁石ユニットと、前記処理空間内で前記中心軸線と直角または斜めに交差する磁界を形成する補助磁石ユニットとを有し、前記補助磁石ユニットは、一方の磁極を前記処理空間に向けて配置される１つまたは複数の棒型磁石と、前記棒型磁石の他方の磁極に結合される補助ヨークとを備え、前記処理容器の上部または上方で、いずれの前記環状コイルよりも径方向の内側もしくはいずれかの前記環状コイルよりも径方向の外側に、かつ前記中心軸線からオフセットした位置に配置され、前記処理空間と対向する１つまたは複数の磁極を有する。

上記の装置構成においては、主磁石ユニットおよび補助磁石ユニットを同時に励起することにより、処理空間内の各位置で主磁石ユニットだけを励起した場合のベクトル場と補助磁石ユニットだけを励起した場合のベクトル場とを合成した磁場が形成される。特に、中心軸線上では、主磁石ユニットにより生成される磁場のベクトルに補助磁石ユニットにより生成される磁場のベクトルが合成されることにより、有意の水平成分を有する斜めに傾いた磁場が得られる。これによって、中心軸線付近での垂直磁場による電子の拘束または局在化現象を抑制し、ひいてはプラズマ密度分布において径方向の中心が特異点になるのを抑制することができる。

本発明のプラズマ処理装置によれば、上記のような構成および作用により、プラズマ密度分布において径方向の中心が特異点となる望ましくない不均一性を効果的に解消することができる。

本発明の実施形態における容量結合型プラズマ処理装置の概略構成を模式的に示す断面図である。 実施形態における主磁石ユニットおよび補助磁石ユニットの構成を模式的に示す平面図である。 主磁石ユニットの内側から２番目の主電磁コイルに電流を供給したときに処理空間に形成される磁場の磁力線のイメージを示す図である。 主磁石ユニットの最も外側の主電磁コイルに電流を供給したときに処理空間内に形成される磁場の磁力線のイメージを示す図である。 主磁石ユニットの最も内側の主電磁コイルに電流を供給したときに処理空間内に形成される磁場の強度分布を示す図である。 主磁石ユニットの中心から２番目の主電磁コイルに電流を供給したときに処理空間内に形成される磁場の強度分布を示す図である。 主磁石ユニットの中心から３番目の主電磁コイルに電流を供給したときに処理空間内に形成される磁場の強度分布を示す図である。 主磁石ユニットの最も外側の主電磁コイルに電流を供給したときに処理空間内に形成される磁場の強度分布を示す図である。 主磁石ユニットの全ての主電磁コイルに電流を供給したときに処理空間内に形成される磁場の強度分布を示す図である。 主磁石ユニットだけを励起した場合に得られるウエハ上のエッチングレート特性の傾向を模式的に示す図である。 実施形態における補助磁石ユニットの構成を示す平面図である。 図６のＩ−Ｉ線についての断面図である。 補助磁石ユニットだけを励起した場合に処理空間内に形成される磁場の磁力線のイメージを示す図である。 主磁石ユニットおよび補助磁石ユニットを同時に励起した場合に処理空間内に形成される磁場の磁力線のイメージを示す図である。 主磁石ユニットだけを励起した場合の処理空間内の磁場分布（ベクトル場）を示す図である。 図１０の処理空間の中心部を拡大して示す図である。 図１０の磁場分布の下で処理空間の中心付近に得られる電子の軌道を示す図である。 主磁石ユニットおよび補助磁石ユニットを同時に励起した場合の処理空間内の磁場分布（ベクトル場）を示す図である。 図１３の処理空間の中心部を拡大して示す図である。 図１３の磁場分布の下で処理空間の中心付近に得られる電子の軌道を示す図である。 実施形態の補助磁石ユニットにおいて処理空間と対向する磁極群（Ｎ極／Ｓ極）を中心軸線の回りで周回方向に回転させる態様を示す図である。

以下、添付図を参照して本発明の実施形態を説明する。図１に、一実施形態におけるプラズマ処理装置の概略断面構成を模式的に示す。このプラズマ処理装置１０は、容量結合型のプラズマエッチング装置として構成されており、たとえば３００ｍｍ口径の半導体ウエハＷを出し入れ可能に収容する密閉可能な円筒状のチャンバ（処理容器）１２を有している。

チャンバ１２内の中央下部には、処理対象の半導体ウエハＷを載置する円板形状の載置台１４が配設されている。この載置台１４は、基台１４ａおよび静電チャック１４ｂを含んでいる。基台１４ａは、アルミニウム等の導電性の部材で構成されている。

基台１４ａの上面の周縁の領域には、半導体ウエハＷの周囲を囲むように、環状のフォーカスリング１６が設けられている。また、基台１４ａの上面の中央の領域には、円板形状の静電チャック１４ｂが設けられている。静電チャック１４ｂは、電極膜を封入した絶縁膜を有している。この電極膜には直流電源（図示せず）より直流電圧が供給され、それによって静電チャック１４ｂの発生する静電力により半導体ウエハＷを吸着して保持するようになっている。

静電チャック１４ｂ上に半導体ウエハＷが載置された状態では、半導体ウエハＷの中心を上下方向に通過する中心軸線Ｚは、基台１４ａおよび静電チャック１４ｂの中心軸線に略一致する。

基台１４ａは、下部電極を構成している。この基台１４ａには、プラズマ生成用の高周波電力を発生する第１の高周波電源１８が、第１の整合器２０を介して電気的に接続されている。第１の高周波電源１８は、たとえば、周波数１００ＭＨｚの高周波電力を発生する。第１の整合器２０は、高周波電源１８の出力インピーダンスと基台（下部電極）１４ａ側の負荷インピーダンスとを整合させるための整合回路を有している。

この実施形態において、第１の高周波電源１８は、処理ガスの高周波放電に適した所望の周波数（たとえば５０ｋＨｚ）および所望のデューティ比（たとえば２０％）でプラズマ生成用の高周波電力をパルス状に出力できるようになっている。このように、パルス周波数の１サイクル内にプラズマ生成期間とプラズマ非生成期間とを設けることにより、半導体ウエハＷ上の特定の部位に電荷の蓄積が生じることを軽減できるようになっている。すなわち、プラズマ生成期間中にプラズマ中の電子密度の不均一さによって半導体ウエハＷ上の電子密度の高い特定の部位に電荷の蓄積が生じても、そのような電荷をプラズマ非生成期間中に周囲へ分散させて、電荷の蓄積を解消することができる。これによってウエハ表面で絶縁膜の破壊等が生じるのを防止することができる。

また、基台１４ａには、イオン引き込み用の高周波バイアス電力を発生する第２の高周波電源２２が、第２の整合器２４を介して電気的に接続されている。第２の高周波電源２２は、載置台１４上の半導体ウエハＷに入射するイオンのエネルギーを制御するのに適した周波数（たとえば３．２ＭＨｚ）の高周波電力を発生する。第２の整合器２４は、高周波電源２２の出力インピーダンスと下部電極側の負荷インピーダンスとを整合させるための整合回路を有している。

載置台（下部電極）１４の上方には、処理空間Ｓを介して載置台１４と対向するように、上部電極２６が配設されている。上部電極２６は、チャンバ１２の天板を構成しており、処理空間Ｓをその上方から画成している。上部電極２６は、その中心軸線が、載置台１４の中心軸線Ｚと略一致するように配置されている。

上部電極２６は、所定の処理ガスを処理空間Ｓ内にシャワー状に導入するシャワーヘッドの機能を兼ねている。この実施形態においては、上部電極２６には、バッファ室２６ａ、内部ガスライン２６ｂおよび複数のガス孔２６ｃが形成されている。バッファ室２６ａには、内部ガスライン２６ｂおよび外部ガスライン２８を介して処理ガス供給部３０が接続されている。上部電極２６のガス孔２６ｃはバッファ室２６ａから下方に延びて、処理空間Ｓに向けて開口している。一方、チャンバ１２の底部には、図示しないＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）およびＤＰ（Dry Pump）等の排気機構が接続されており、チャンバ１２内の処理空間Ｓを所定圧力の減圧雰囲気に維持できるようになっている。

上部電極２６の上には、主磁石ユニット３２および補助磁石ユニット７０が併設されている。主磁石ユニット３２および補助磁石ユニット７０の構成および作用については後に詳細に説明する。

このプラズマエッチング装置１０において、制御部６０は、１つまたは複数のマイクロコンピュータを含み、外部メモリまたは内部メモリに格納されるソフトウェア（プログラム）およびレシピ情報にしたがって、装置内の各部、特に高周波電源１８，２２、整合器２０，２４、処理ガス供給部３０、電磁石励起回路５６、排気装置等の個々の動作および装置全体の動作（シーケンス）を制御する。

また、制御部６０は、キーボード等の入力装置や液晶ディスプレイ等の表示装置を含むマン・マシン・インタフェース用の操作パネル（図示せず）および各種プログラムやレシピ、設定値等の各種データを格納または蓄積する外部記憶装置（図示せず）等とも接続されている。この実施形態では、制御部６０が１つの制御ユニットとして示されているが、複数の制御ユニットが制御部６０の機能を並列的または階層的に分担する形態を採ってもよい。

このプラズマエッチング装置１０において、載置台１４上の半導体ウエハＷにドライエッチングを施すときは、処理ガス供給部３０よりシャワーヘッド（上部電極）２６を介してチャンバ１２内の処理空間Ｓに処理ガスつまりエッチングガスを供給し、第１の高周波電源１８からの高周波電力を載置台（下部電極）１４に与えて、上部電極２６と載置台１４との間に高周波電界を発生させる。これにより、処理空間Ｓにおいて処理ガスの高周波放電によるプラズマが生成される。そして、処理ガスを構成する分子または原子がプラズマ中で解離ないし電離して生成されたラジカルおよびイオンにより、半導体ウエハＷ表面の被処理膜にエッチングマスクで規定される所定パターンのエッチング加工を施すことができる。また、第２の高周波電源２２から下部電極としての載置台１４に与える高周波バイアス電力を調整することにより、半導体ウエハＷに入射するイオンのエネルギーを制御することができる。

このプラズマエッチング装置１０は、プラズマ生成機構が容量結合方式であるため、主磁石ユニット３２および補助磁石ユニット７０を機能させない場合は、処理空間Ｓにおけるプラズマ密度分布ひいては半導体ウエハＷ上のエッチングレートが径方向の中心付近を頂点とする緩やかな山形のプロファイルになりやすい。しかし、以下に述べる主磁石ユニット３２および補助磁石ユニット７０の重畳的または複合的な作用により、処理空間Ｓ内の径方向におけるプラズマ密度分布特性ひいては半導体ウエハＷ上のプロセス特性（特にエッチングレート特性）を大きな制御レンジおよび自由度で調整することが可能であるうえ、径方向の中心がプラズマ密度分布特性ないしプロセス特性の突出点または特異点となる不所望な現象も効果的に解消できるようにしている。

［主磁石ユニットの構成及び作用］

主磁石ユニット３２は、上部電極２６および下部電極１４と同軸に配置され、主コアまたは主ヨーク３４および複数の主電磁コイル３６，３８，４０，４２を有している。主ヨーク３４は、芯部４４、複数の円筒部４５，４６，４８，５０，５２およびベース部またはバックプレート部５４が一体形成された構造を有しており、軟磁性体から構成されている。バックプレート部５４は、水平に延びて略円板形状を有している。芯部４４は、略円盤形状または円柱形状を有し、バックプレート部５４と一体に形成または結合され、その中心軸線が中心軸線Ｚに沿うように設けられている。

円筒部４５，４６，４８，５０，５２は、同心状に設けられ、それぞれ中心軸線Ｚと平行に延びる円筒形状を有している。より詳細には、図２に示すように、円筒部４５，４６，４８，５０，５２は、中心軸線Ｚを中心とする複数の同心円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５に沿ってそれぞれ設けられている。円筒部４５は、半径Ｌ１の同心円Ｃ１に沿って配設されている。円筒部４６は、半径Ｌ１よりも大きい半径Ｌ２の同心円Ｃ２に沿って配設されている。円筒部４８は、半径Ｌ２よりも大きい半径Ｌ３の同心円Ｃ３に沿って配設されている。円筒部５０は、半径Ｌ３よりも大きい半径Ｌ４の同心円Ｃ４に沿って配設されている。円筒部５２は、半径Ｌ４よりも大きい半径Ｌ５の同心円Ｃ５に沿って配設されている。

一例においては、半径Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５は、それぞれ３０ｍｍ、７６ｍｍ、１２７ｍｍ、１７８ｍｍ、２２９ｍｍである。また、コイル３６，３８，４０，４２の中心の位置は、それぞれ中心軸線Ｚから略５０ｍｍ，１００ｍｍ，１５０ｍｍ，２００ｍｍとなっている。

主ヨーク３４において、最内周の円筒部４５とその外隣の円筒部４６との間には、下面の開いた環状の溝が形成されている。図１に示すように、この溝には、柱状部４４の外周面に沿って巻回され主電磁コイル３６が収容されている。これにより、主電磁コイル３６の下面が露出し、主電磁コイル３６の内側面、外側面および上面が主ヨーク３４の円筒部４５、円筒部４６およびバックプレート部５４によって覆われている。

円筒部４６とその外隣の円筒部４８との間にも下面の開いた環状の溝が形成されている。この溝には、円筒部４６の外周面に沿って巻回された主電磁コイルコイル３８が収容されている。これにより、主電磁コイル３８の下面が露出し、コイル３８の内側面、外側面および上面が主ヨーク３４の円筒部４６，４８およびバックプレート部５４によって覆われている。

円筒部４８とその外隣の円筒部５０との間にも下面の開いた環状の溝が形成されており、この溝には円筒部４８の外周面に沿って巻回された主電磁コイル４０が収容されている。主電磁コイル４０の下面が露出し、コイル４０の内側面、外側面および上面が主ヨーク３４の円筒部４８，５０およびバックプレート部５４によって覆われている。

また、円筒部５０とその外隣（最外周）の円筒部５２との間にも下面の開いた環状の溝が形成されており、この溝には円筒部５０の外周面に沿って巻回された主電磁コイル４２が収容されている。これにより、主電磁コイル４２の下面が露出し、主電磁コイル４２の内側面、外側面および上面が主ヨーク３４の円筒部５０，５２およびバックプレート部５４によって覆われている。

上記したように、主磁石ユニット３２において、半径Ｌ４，Ｌ５は半導体ウエハＷの半径１５０ｍｍよりも大きい。したがって、図１に示すように、最外周の主電磁コイル４２は、半導体ウエハＷの外周エッジよりも径方向外側に位置し、少なくともその一部がフォーカスリング１６の上方に位置するよう配設されている。また、最内周の主電磁コイル３６は、半導体ウエハＷの中心部の上方に位置するように配設されている。また、コイル中心から２番目の主電磁コイル３８は、半径方向において半導体ウエハＷの中間部と周辺部とに跨るように配設されている。そして、コイル中心から３番目の主電磁コイル４０は、半径方向において半導体ウエハＷの周辺部と外側とに跨るように配設されている。

主電磁コイル３６，３８，４０，４２の各々の両端は、電磁石励起回路５６に電気的に接続されている。電磁石励起回路５６は、後述する制御部６０の制御の下で主電磁コイル３６，３８，４０，４２のいずれか１つを択一的に任意の励磁電流で通電させることができるだけでなく、任意の組み合わせで複数のコイルを同時に共通または個別の任意の励磁電流で通電させることができる。

上記構成の主磁石ユニット３２によれば、主電磁コイル３６，３８，４０，４２のうち１つ以上の主電磁コイルに電流を供給することにより、通電した各主電磁コイルの内側を貫く磁力線MFLが中心軸線Ｚに対して点対象に垂直面内でＵ字状のループを描いて処理空間Ｓを通り抜けるような磁場Ｂが形成される。

図３Ａに、コイル中心から２番目の主電磁コイル３８に電流を供給したときに主磁石ユニット３２から処理空間Ｓ内に延びる磁力線MFLのイメージを示す。この場合、主ヨーク３４の主電磁コイル３８よりも径方向内側に位置する各部の下面、つまり芯部４４および円筒部４５，４６の下端から出る磁力線MFLは、中心軸線Ｚに対して点対象に垂直面内でＵ字状のループを描きながら主電磁コイル３８の下を跨いで半径方向外側に延びて、主ヨーク３４の主電磁コイル３８より径方向外側に位置する下面の各部、つまり円筒部４８，５０，５２のいずれかの下端に達する。そして、円筒部４８，５０，５２のいずれかの下端に達した各磁力線MFLは、主ヨーク３４の中では、バックプレート部５４を回って芯部４４および円筒部４５，４６のいずれかに戻る。

また、最内周の円筒部４５よりも径方向内側には、後述する補助磁石ユニット７０を構成する複数個の棒型電磁石７２Ａ，７２Ｂが主ヨーク３４の芯部４４から垂直下方に突出している。これらの棒型電磁石７２Ａ，７２Ｂが励磁されていなくても、主ヨーク３４を介してそれぞれの棒状鉄心（補助鉄心）７４の下端から磁力線MFLが出る。これらの磁力線MFLも、上記同様にＵ字状ループを描いて処理空間Ｓを通り抜け、円筒部４８，５０，５２のいずれかの下端に達する。

このように主磁石ユニット３２の中で主電磁コイル３８のみが励起される場合、処理空間Ｓ内の磁場Ｂの半径方向における水平成分強度（水平磁場強度）分布は、図４Ｂに示すように、主電磁コイル３８の直下付近にピークを有するような比較的険しい山形のプロファイルになる。

図３Ｂに、最も外側の主電磁コイル４２に電流を供給したときに主磁石ユニット３２から処理空間Ｓ内に延びる磁力線MFLのイメージを示す。この場合、主ヨーク３４の主電磁コイル４２よりも径方向内側に位置する各部の下面、つまり芯部４４および円筒部４５，４６，４８，５０の下端から出る磁力線MFL、および各棒状鉄心７４の下端から出る磁力線MFLは、中心軸線Ｚに対して点対象に垂直面内でＵ字状のループを描きながら主電磁コイル４２の下を跨いで半径方向外側に延びて、主ヨーク３４の主電磁コイル４２よりも径方向外側に位置する下面の各部、つまり円筒部５２の下端に達する。そして、円筒部５２の下端に達した各磁力線MFLは、主ヨーク３４の中では、バックプレート部５４を回って芯部４４および円筒部４５，４６，４８，５０および棒状鉄心７４のいずれかに戻る。

このように主磁石ユニット３２の中で主電磁コイル４２のみが励起される場合、処理空間Ｓ内の磁場Ｂの半径方向における水平成分強度（水平磁場強度）分布は、図４Ｄに示すように、主電磁コイル４２の直下付近にピークを有するような比較的険しい山形のプロファイルになる。

他の主電磁コイル３６，４０のいずれか１つに電流を供給したときにも、図３Ａまたは図３Ｂと同様に、通電した各主電磁コイル３６，４０を貫く磁力線MFLが中心軸線Ｚに対して点対象に垂直面内でＵ字状のループを描いて処理空間Ｓを通り抜けるような磁界Ｂが形成される。そして、最も内側の主電磁コイル３６のみが通電する場合は、図４Ａに示すように、処理空間Ｓ内の磁界Ｂの半径方向における水平成分強度（水平磁場強度）分布が、主電磁コイル３６の直下付近にピークを有するような比較的急峻な山形のプロファイルになる。また、内側から３番目（外側から２番目）の主電磁コイル４０のみが通電する場合は、図４Ｃに示すように、処理空間Ｓ内の磁場Ｂの半径方向における水平成分強度（水平磁場強度）分布が、主電磁コイル４０の直下付近にピークを有するような比較的険しい山形のプロファイルになる。

そして、主電磁コイル３６，３８，４０，４２の中の２つ以上に電流が供給されるときは、処理空間Ｓ内には、重ね合わせの理により、各コイルがそれぞれ単独で通電した場合に得られるベクトル場を合成した磁場Ｂが形成される。この場合、径方向における処理空間Ｓ内の磁場Ｂの水平成分強度（水平磁場強度）分布は、図４Ｅに示すように、中間部の主電磁コイル３８，４０の直下付近にピークを有するような緩やかな山形または台形状のプロファイルになる。

プラズマ処理装置においては、チャンバの処理空間内に磁場が存在すると、プラズマ中の電子、特にバルクプラズマ中の電子はローレンツ力を受けてサイクロトロン運動（回転運動）をしながらガス分子との衝突を繰り返すことにより、単位時間内の電離衝突回数が増して、プラズマの密度が増加する。ここで、ローレンツ力は、電子の速度と磁場とのベクトル積に依存する。バルクプラズマ内では、電子の移動方向がランダムであるから、磁場の向きが同じ場所では磁場の強度が大きいほどローレンツ力に基づく電離衝突増大効果ないしプラズマ密度増大効果も大きくなる。

この実施形態のプラズマ処理装置では、上記のように、主磁石ユニット３２において主電磁コイル３６，３８，４０，４２の中の１つ以上を選択的に通電させることにより、径方向において処理空間Ｓ内の磁場Ｂの水平成分強度（水平磁場強度）分布を大きな制御レンジおよび自由度で調整することが可能であり、ひいては径方向においてプラズマ密度分布特性およびエッチングレート特性を大きな制御レンジおよび自由度で制御することができる。

ただし、図４Ａ〜図４Ｅに示すように、主電磁コイル３６，３８，４０，４２のいずれが通電しても、処理空間Ｓの中心（中心軸線Ｚが通る場所）では、磁場Ｂの水平成分強度（水平磁場強度）が実質的に零（ゼロ）であり、代わりに垂直成分強度（垂直磁場強度）がピークになる。このため、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、中心軸線Ｚ付近で一様に垂直な磁場Ｂからローレンツ力を受ける電子ｅは中心軸線Ｚに纏わりつくようにサイクロトロン運動をしながら垂直の磁力線に沿ってバルクプラズマ中を上下方向に移動し、その移動の途中でガス分子と遭遇すればそれと衝突して電離させる。この場合、電子はローレンツ力により中心軸線Ｚ付近に拘束されて半径方向外側へは拡散しないため、中心軸線Ｚ付近での電離衝突回数が多くなり、プラズマ密度も中心軸線Ｚ上が異常に突出した極大点になる。

こうして、中心軸線Ｚの位置（中心位置）がプラズマ密度分布の特異点になる。このような特異点は、垂直磁場成分の強度分布の制御範囲を狭め、ひいてはプラズマ密度分布の制御性を損なわせる。その結果、図５に模式的に示すように、半導体ウエハＷ上のエッチングレート特性は中心点に急峻なピークが生じやすくなる。

この実施形態では、以下に詳しく述べる補助磁石ユニット７０により、主磁石ユニット３２を単独で使用した場合に残る上記の課題、つまり径方向の中心点がプラズマ密度ないしプロセス特性の特異点になるという課題を簡易かつ効率的に解決するようにしている。

［補助磁石ユニットの構成及び作用］

図６および図７に、補助磁石ユニット７０の構成を示す。補助磁石ユニット７０は、主ヨーク３４の芯部４４を補助ヨーク７５として利用し、主磁石ユニット３２の最内周の円筒部４５よりも半径方向内側で、補助ヨーク７５に複数個たとえば６個の棒型電磁石７２を中心軸線Ｚから半径方向に所定距離ｒだけオフセットした位置で周回方向に一定間隔で取り付けている。各々の棒型電磁石７２は、補助ヨーク７５の下面から垂直下方に延びる棒状の補助鉄心７４と、この補助鉄心７４に巻回された補助電磁コイル７６とを有している。各補助電磁コイル７６の両端は、電磁石励起回路５６に電気的に接続されている。電磁石励起回路５６は、制御部６０の制御の下で、主磁石ユニット３２の主電磁コイル３６，３８，４０，４２とは個別に各々の棒型電磁石７２の補助電磁コイル７６を任意の励磁電流で通電させることができるとともに、任意の組み合わせで一部または全部の棒型電磁石７２の補助電磁コイル７６を同時に任意の励磁電流で通電させることができる。

通常の使用形態では、図６に示すように、棒型電磁石７２を周回方向において向かい合う第１および第２の組（７２Ａ，７２Ｂ）に２分割して、第１組に選ばれた棒型電磁石７２の補助電磁コイル７６には直流の励磁電流を一定の電流値で正方向（時計回り）に流し、第２組に選ばれた棒型電磁石７２の補助電磁コイル７６には直流の励磁電流を同じ電流値で逆方向（反時計回り）に流す。これにより、図７に示すように、第１組の棒型電磁石７２Ａは、下端がＮ極、上端がＳ極になる。一方、第２組の棒型電磁石７２Ｂは、下端がＳ極、上端がＮ極になる。

処理空間Ｓ側から見ると、図６に示すように、周回方向において２分割された第１および第２の半周区間内に第１組の棒型電磁石７２ＡのＮ極全部および第２組の棒型電磁石７２ＢのＳ極全部がそれぞれ配置されることになる。また、複数対（この場合は３対）のＮ極およびＳ極が、中心軸線Ｚに対してそれぞれ点対称の位置に配置されていることにもなる。

図８に、主磁石ユニット３２を非励起状態に保って補助磁石ユニット７０だけを励起した場合に処理空間Ｓに形成される磁場の磁力線のイメージを示す。この場合、第１組の棒型電磁石７２Ａの補助鉄心７４の下端（Ｎ極）から出る磁力線MFLは、中心軸線Ｚに対して点対象に垂直面内でＵ字状のループを描きながら中心軸線Ｚを水平に横切って反対側（点対称）の第２組の棒型電磁石７２Ｂの補助鉄心７４の下端（Ｓ極）に達する。このとき、主ヨーク３４の円筒部４５，４６，４８，５０，５２に出入りする磁力線MFLは殆ど存在しない。

図９に、主磁石ユニット３２および補助磁石ユニット７０を同時に励起した場合に処理空間Ｓに形成される磁場の磁力線のイメージを示す。図示の例は、主磁石ユニット３２において最も外側の主電磁コイル４２に電流を供給した場合である。この場合は、処理空間Ｓ内の各位置で、主磁石ユニット３２だけを励起した場合のベクトル場（図３Ｂ）と補助磁石ユニット７０だけを励起した場合のベクトル場（図８）とを合成した磁場Ｂが形成される。特に、中心軸線Ｚ上では、主磁石ユニット３２により生成される磁場のベクトル（垂直成分が全部または殆ど）に、補助磁石ユニット７０により生成される磁場のベクトル（水平成分が全部または殆ど）が合成されることにより、有意の水平成分を有する斜めに傾いた磁場が得られる。他の主電磁コイル３６，３８，４０の一部または全部に電流を供給した場合にも、中心軸線Ｚ付近では同様の合成磁場が得られる。

このように主磁石ユニット３２および補助磁石ユニット７０が同時に励起され、処理空間Ｓ内に中心軸線Ｚ上で斜めに傾く磁場Ｂが形成されると、中心軸線Ｚ付近に存在する電子ｅが斜めに傾いている磁場Ｂからローレンツ力を受けることにより、サイクロトロン運動をしながら磁力線MFLに沿って斜めに移動し、その移動の途中でガス分子と遭遇すればそれと衝突して電離させる。この場合、電子ｅは磁力線MFLに沿って斜めに移動するので、中心軸線Ｚから比較的離れた場所でも電離衝突を多く重ねる。その結果、プラズマが中心軸線Ｚから半径方向外側に拡散して、プラズマ密度分布において中心点のピークが低くなる。これによって、半導体ウエハＷ上のエッチングレート特性（図５）においても、仮想線（一点鎖線）Ｆで示すように中心点のピークが低くなる。

なお、図９に示すように、補助磁石ユニット７０においては、第１組の棒型電磁石７２Ａの補助鉄心７４から処理空間Ｓ内に磁力線MFLが出るだけでなく、第２組の棒型電磁石７２Ｂの補助鉄心７４からも磁力線MFLが出る。これは、第２組の棒型電磁石７２Ｂの補助鉄心７４の中においても、主磁石ユニット３２により生じる磁束の密度が補助磁石ユニット７０により生じる磁束の密度を上回っているためであり、重ね合わせの結果として、第２組の棒型電磁石７２Ｂの補助鉄心７４の下端からも磁力線MFLが出る。

このように、この実施形態のプラズマエッチング装置においては、主磁石ユニット３２と併せて補助磁石ユニット７０を励起することにより、主磁石ユニット３２を単独で励起した場合に残る課題、すなわち中心軸線Ｚ付近での垂直磁場による電子の拘束または局在化現象、ひいてはプラズマ密度分布における特異点の発生を効果的に抑制することができる。

［実施形態における磁場分布シミュレーション］

本発明者は、上記実施形態における補助磁石ユニット７０の作用を確認するために、主磁石ユニット３２だけを励起した場合の処理空間Ｓ内の磁場分布（ベクトル場）および中心軸線Ｚ付近における電子の軌道と、主磁石ユニット３２および補助磁石ユニット７０を同時に励起した場合の処理空間Ｓ内の磁場分布（ベクトル場）および中心軸線Ｚ付近における電子の軌道とをコンピュータを用いた計算（シミュレーション）により求めて対比した。

このシミュレーションでは、上部電極２６とウエハＷとの距離間隔を４０ｍｍ、上部電極２６の表面に生じるイオンシース（上部シース）およびウエハＷの表面に生じるイオンシース（下部シース）の厚さをそれぞれ５ｍｍとした。また、上部電極２６の電位を０Ｖ、上部シースおよび下部シースにかかる電圧をそれぞれ１００Ｖ、下部電極１４の電位を−２００Ｖとした。そして、バルクプラズマの中心（上部電極２６から２０ｍｍ低い位置）における磁場強度が約７０Ｇになるように、主磁石ユニット３２および補助電磁コイル７６にそれぞれ供給する励磁電流の値を設定した。電子の軌道の計算では、中心軸線Ｚ上でバルクプラズマの中心点（スタート点）に２４個の電子を配置し、Ｘ−Ｚ面内で１５°間隔の２４の方位にそれら２４個の電子を初速度２．６５ｅ6（ｍ／ｓ）（２０ｅｖ）で放射状に放ち、サイクロトロン運動をしながら上方または下方に移動する電子の軌道を計算した。図１２および図１５の白線は、５０μsecにわたって１０nsec毎に計算したそれら２４個の電子の軌道を重ね合わせたものである。

図１０〜図１２は主磁石ユニット３２だけを励起した場合であり、図１０は処理空間Ｓ内の全体の磁場分布（ベクトル場）を示し、図１１は図１０の中心部を拡大して示し、図１２は電子の軌道を示す。

図１０および図１１に示すように、中心軸線Ｚ付近の磁場は上部電極２６の下面からウエハＷの上面まで一様に垂直であり、ベクトル場の中心軸線Ｚに対する傾きは０°である。この場合は、図１２に示すように、電子の軌道が中心軸線Ｚに沿って垂直であり、電子が中心軸線Ｚに纏わりつくようにサイクロトロン運動をしながらバルクプラズマの中を上下方向に移動することがわかる。

図１３〜図１５は主磁石ユニット３２および補助磁石ユニット７０を同時に励起した場合であり、図１３は処理空間Ｓ内の全体の磁場分布（ベクトル場）を示し、図１４は図１３の中心部を拡大して示し、図１５は電子の軌道を示す。

図１３および図１４に示すように、中心軸線Ｚ付近の磁場は、上部電極２６に近いほど大きな角度で斜めに傾き、上部電極２６から遠くなるにつれて（ウエハＷに近づくにつれて）傾斜角度が小さくなる。中心軸線Ｚ上でバルクプラズマの中心における磁場の傾き角度は７°である。この場合の電子の軌道は、図１５に示すように、電子がスタート点から上部電極２６側に移動するときでもウエハＷ側に移動するときでも磁場と略同じ角度で斜めに移動することがわかる。

［他の実施形態または変形例］

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種種の変形が可能である。

たとえば、補助磁石ユニット７０においては、各々の補助電磁コイル７６に流す電流の向きを反転させることにより、その補助電磁コイル７６を有する棒型電磁石７２のＮ極とＳ極を上下で反転させることができる。つまり、各々の棒型電磁石７２を、処理空間Ｓに対してＮ極を向けた第１組の棒型電磁石７２Ａとするか、それとも処理空間Ｓに対してＳ極を向けた第２組の棒型電磁石７２Ｂとするかは、制御部６０が電磁石励起回路５６を通じて任意に選択することができる。

したがって、図１６に示すように、一定の周期（Δｔ）で順番に、点対称の位置関係にある一対の第１組および第２組の棒型電磁石７２Ａ，７２Ｂを反転（相互置換）させることにより、第１組の補助電磁石７２Ａ（３個）と第２組の補助電磁石７２Ｂ（３個）とを周回方向に上記の周期（Δｔ）で間欠的または連続的に回転移動させることも可能である。このように、処理空間Ｓと対向する補助磁石ユニット７０の磁極群（Ｎ極／Ｓ極）を中心軸線Ｚの回りで周回方向に回転させることにより、磁場に関して補助磁石ユニット７０の処理空間Ｓ内に及ぼす作用を周回方向で均して、プラズマ密度分布を周回方向でも均一化することができる。

別の変形例として、補助磁石ユニット７０において、棒型電磁石７２を棒型の永久磁石（図示省略）に置き換えることも可能である。また、補助磁石ユニット７０の作用は半減するが、第１組の棒型電磁石７２Ａもしくは第２組の棒型電磁石７２Ｂだけを備える構成も可能である。

また、補助磁石ユニット７０の設置位置に関する変形例として、補助磁石ユニット７０の各磁極（たとえば上記実施形態における棒型電磁石７２）を、主磁石ユニット３２の主電磁コイル３６〜４２のいずれかの径方向外側に配置する構成も可能である。この場合も、中心軸線Ｚ上では、主磁石ユニット３２により生成される磁場のベクトル（垂直成分が全部または殆ど）に、補助磁石ユニット７０により生成される磁場のベクトル（水平成分が全部または殆ど）が合成され、有意の水平成分を有する斜めに傾いた磁場が得られる。

上記実施形態の容量結合型プラズマエッチング装置は、下部２周波波印加方式を採っており、チャンバ１２内の載置台（下部電極）１４にプラズマ生成用の第１の高周波電源１８とイオン引き込み用の第２の高周波電源２２とを接続している。しかし、上部電極２６にプラズマ生成用の第１の高周波電源１８を電気的に接続し、載置台（下部電極）１４にイオン引き込み用の第２の高周波電源２２を電気的に接続する構成にも本発明は適用可能である。

本発明は、プラズマエッチング装置に限定されず、容量結合型のプラズマＣＶＤ装置、プラズマ酸化装置、プラズマ窒化装置などにも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ、有機ＥＬ、太陽電池用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。

１０ プラズマ処理装置
１２ チャンバ
１４ 載置台
２６ 上部電極（シャワーヘッド）
３０ 処理ガス供給部
３２ 主磁石ユニット
３４ 主ヨーク
３６，３８，４０，４２ 主電磁コイル
５６ 電磁石励起回路
６０ 制御部
７０ 補助磁石ユニット
７２Ａ 第１組の棒型電磁石
７２Ｂ 第２組の棒型電磁石
７４ 補助鉄心
７５ 補助ヨーク
７６ 補助電磁コイル

Claims (7)

1. 被処理基板に処理ガスのプラズマを作用させて処理を施すプラズマ処理装置であって、
   前記被処理基板を出し入れ可能に収容する処理容器と、
   前記処理容器内に配設され、前記被処理基板が載置される下部電極と、
   前記処理容器内に配設され、処理空間を介して前記下部電極と対向する上部電極と、
   前記上部電極と前記下部電極との間に高周波電力を印加する高周波電源と、
   前記処理容器の上部または上方で前記下部電極の中心を上下方向に通過する中心軸線を中心とする１つまたは複数の環状の主電磁コイルを有する主磁石ユニットと、
   前記処理空間内で前記中心軸線と直角または斜めに交差する磁界を形成する補助磁石ユニットと
   を有し、
   前記補助磁石ユニットは、一方の磁極を前記処理空間に向けて配置される１つまたは複数の棒型磁石と、前記棒型磁石の他方の磁極に結合される補助ヨークとを備え、前記処理容器の上部または上方で、いずれの前記環状コイルよりも径方向の内側もしくはいずれかの前記環状コイルよりも径方向の外側に、かつ前記中心軸線からオフセットした位置に配置され、前記処理空間と対向する１つまたは複数の磁極を有する、
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記補助磁石ユニットは、前記中心軸線に対して点対称の位置に配置され、前記処理空間とそれぞれ対向する一対または複数対のＮ極およびＳ極を有する、請求項１項に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記Ｎ極および前記Ｓ極は、周回方向において２分割された第１および第２の区間内にそれぞれ配置される、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 各々の前記棒型磁石は、前記中心軸線から半径方向に一定の距離だけオフセットした位置で先端を前記処理空間に向けて前記中心軸線と平行に延びる１つまたは複数の棒状の補助鉄心と、各々の前記補助鉄心に装着される補助電磁コイルとを有する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記補助磁石ユニットは、前記処理空間と対向する前記磁極を前記中心軸線の回りで周回方向に回転させる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記主磁石ユニットは、複数の前記主電磁コイルを同じ高さ位置で同心状に配置している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記主磁石ユニットは、各々の前記主電磁コイルの下面を除いてその内周面、外周面および上面を覆う主ヨークを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。